Tìm hiểu về động cơ của xe ô tô (Phần I)

Những chiếc ô tô đang ngày càng trở nên quen thuộc trong cuộc sống hiện đại ngày này, trở thành một trong những phương tiện đi lại chính của con người. Để có thể tạo nên một chiếc ô tô hoàn thiện yêu cầu rất nhiều công nghệ khác nhau như cơ khí, điện, điện tử kết hợp lại. Những chiếc ô tô ngày này cũng đã khác xa so với những chiếc xe của thế kỷ trước, với rất nhiều cải tiến về công nghệ từ động cơ, nhiên liệu, hệ thống điều khiển v.v…

Trong loạt bài sắp tới của Genk, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu những công nghệ hiện đại được sử dụng trên những chiếc ô tô ngày nay, góp phần giúp bạn đọc nâng cao kiến thức và hiểu biết về một trong những phương tiện đi lại phổ biến hiện nay và trong tương lai. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tiềm hiểu về động cơ của xe ô tô, trái tim của chiếc xe.

Động cơ đốt trong

Động cơ được sử dụng trong các loại xe ô tô ngày nay đều là động cơ đốt trong, sử dụng nhiên liệu là xăng hoặc dầu diesel. Nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên cơ chế khi sử dụng một lượng nhỏ nhiên liệu năng lượng cao như xăng (hoặc dầu diesel) trong một không gian khép kín nhỏ và đốt cháy, một lượng lớn năng lượng sẽ được sinh ra thông qua sức ép không khí giãn nở. Năng lượng này có thể làm một củ khoai tây bay xa 150m.

Động cơ đốt trong sử dụng nguyên lý đó với một chu trình khép kín với các vụ nổ xảy ra hàng trăm lần mỗi phút bên trong xilanh động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (gọi là hoà khí được đốt trong cylinder của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston (pít-tông) đẩy piston này di chuyển đi. Hầu hết tất cả các xe ô tô hiện nay đều sử dụng một động cơ với chu kỳ 4 thì để chuyển đổi xăng thành năng lượng chuyển động, hay còn gọi là động cơ 4 thì. Các thì bao gồm: nạp, nén, đốt và xả.

- Trong kì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng), hỗn hợp không khí và nhiên liệu được "nạp" vào cylinder trong lúc piston chuyển động từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD).

- Trong kì thứ hai (nén – hai van đều đóng), piston nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong cylinder khi chuyển động từ ĐCD lên ĐCT. Ở cuối kì thứ hai (piston ở tại ĐCT), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa gọi là bougie (bu-gi), trong động cơ diesel bằng cách tự bốc cháy.

- Trong kì thứ ba (sinh công – các van vẫn tiếp tục được đóng), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển bằng thanh truyền (còn gọi là tay biên) đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay.

- Trong thì thứ tư (xả - van nạp đóng, van xả mở) piston chuyển động từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí từ trong cylinder qua ống xả (thường gọi là ống bô) thải ra môi trường.

Chuyển động của piston ở kì thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kì thứ ba (thì sinh công). Một động cơ bốn kì vì thế có góc đánh lửa là 720 độ tính theo góc quay của trục khuỷu tức là khi trục khuỷu quay 2 vòng thì mới có một lần đánh lửa. Có thêm nhiều cylinder thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.

Việc thay thế khí thải bằng hỗn hợp khí mới được điều khiển bằng trục cam. Trục này được gắn với trục khuỷu, quay có giảm tốc 1:2, đóng và mở các van trên đầu cylinder của động cơ. Thời gian trục khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xả được mở cùng một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyển từ kì xả sang kì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào cylinder tốt hơn và tăng áp suất đốt.

Các thuật ngữ hay sử dụng

Khi đọc thông số về một chiếc xe ô tô, bạn thường thấy người ta ký hiệu ví dụ như: động cơ V8 dung tích 6L, công suất tối đa 730 mã lực và mô men xoắn cực đại 1.000 Nm. Vậy ý nghĩa của những ký hiệu này là gì?

Trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về dung tích xilanh. Dung tích xilanh là thể tích của tất cả các xilanh bên trong của động cơ, thường đo bằng đơn vị lít hoặc cc (cm3, 1000cm3=1L). Nếu bạn có một động cơ 4 xilanh và mỗi xilanh có dung tích khoảng nửa lít thì động cơ của bạn có dung tích 2.0 lít. Thông thường dung tích xilanh cho bạn biết về công suất của động cơ. Do đó bạn có thể hiểu đơn giản dung tích xilanh càng lớn thì động cơ càng khỏe, do có thể chứa nhiều nhiên liệu hơn trong mỗi chu kỳ.

Bên cạnh dung tích xilanh, người ta thường ghi các ký hiệu như I4, V8. Các ký hiệu I và V là kiểu sắp xếp của xilanh trong động cơ, theo kiểu thẳng hàng (ký hiệu I) hay theo kiểu chữ V, bạn có thể xem hình mô phỏng các kiểu động cơ này ở bên dưới. Còn chữ số phía sau là số lượng xilanh trong động cơ.

Mã lực (sức ngựa) là đơn vị được sử dụng để đo công suất của mỗi chiếc xe ô tô, thường được viết tắt là hp (horse Power). 1hp được tính tương đương bằng một con ngựa trung bình nâng 15kg gramlên cao 30,48 cm trong 1 phút.

Mô men xoắn (Torque) là khái niệm khá phức tạp. Trong ô tô, một cái động cơ có thể tạo ra lực 1N với cánh tay đòn 1m thì có mômen xoắn là 1Nm. Nếu cái động cơ này quay với tốc độ 60 vòng/phút hay 1 vòng/s thì trong 1s, quãng đường di chuyển của lực 1N sẽ là 3.14x2m=6.28m. Do đó, công sinh ra trong 1s sẽ là 6.28Nm, nghĩa là công suất là 6.28W. Tuy nhiên cái cần quan tâm là động cơ đạt được dải mômen tối đa bắt đầu từ tốc độ vòng quay nào, và duy trì đuợc dải mômen tối đa cho đến vòng quay nào. Hiểu đơn giản, mô men xoắn cực đại càng lớn thì chiếc xe có lực kéo càng khỏe, giúp nó vượt chướng ngại vật hoặc kéo xe, trở hàng … Khi thiết kế động cơ của xe tải hay xe địa hình thì tốc độ không phải vấn đề quan trọng, mà là lực kéo khi ở vòng quay thấp.

Các bộ phận chính

Bộ phận chính của động cơ là các xilanh, với piston di chuyển lên xuống bên trong xilanh. Hầu hết các động cơ ô tô đều có nhiều hơn 1 xilanh, thông thường là 4, 6 hoặc 8 xilanh, đối với những chiếc xe thể thao có thể là 12 hoặc 16 xilanh. Đối với động cơ nhiều xilanh, các xilanh được sắp xếp thành một trong những cách sau: thành một hàng dọc (xilanh xếp thẳng hàng), thành hình chữ V (xilanh xếp hình chữ V) , hai xilanh xếp đối nhau nằm ngang (xilanh xếp đối đỉnh).

Động cơ xilanh xếp thẳng hàng.

Động cơ xilanh xếp hình chữ V.

Đông cơ xilanh xếp đối đỉnh.

Bugi

Bugi trong động cơ ô tô cũng giống với xe máy, có nhiệm vụ tạo tia lửa điện để đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong xilanh. Tia lửa điện phải được tạo ra đúng thời điểm cuối của kỳ nén để tạo hiệu suất tối đa.

Van (xu-páp)

Van xả và hút đóng mở đúng thời điểm để cung cấp nhiên liệu cũng như giúp khí thải thoát ra. Trong kỳ nén và đốt thì các van này được đóng kín. Các van này hoạt động nhờ hệ thống trục cam có cấu tạo như hình dưới.

Trục cam

Trên trục cam có các mấu cam, khi quay các mấu cam này sẽ đẩy van xuống giúp van mở ra. Có hai loại trục cam là trục cam đơn và trục cam kép, trục cam đơn sẽ điều khiển sự đóng mở của cả van hút và xả. Trong khi đó trục cam kép có hai trục cam điều khiển riêng biệt van hút, xả.

Trục khuỷu

Trục khuỷu dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay giống như trục ở bộ bánh vít – trục vít.

Trong phần II của bài viết chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức hoạt động của từng hệ thống trong động cơ và một số công nghệ hiện đại mà các nhà sản xuất ô tô đang sử dụng.

(Còn tiếp ...)

Tham khảo: HowStuffkWorks